DE112011103079T5 - Simplified turbocharger with variable geometry with an increased current range - Google Patents
Simplified turbocharger with variable geometry with an increased current range Download PDFInfo
- Publication number
- DE112011103079T5 DE112011103079T5 DE112011103079T DE112011103079T DE112011103079T5 DE 112011103079 T5 DE112011103079 T5 DE 112011103079T5 DE 112011103079 T DE112011103079 T DE 112011103079T DE 112011103079 T DE112011103079 T DE 112011103079T DE 112011103079 T5 DE112011103079 T5 DE 112011103079T5
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- compressor
- turbine
- turbocharger
- exhaust
- turbine housing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 35
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 29
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 7
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 7
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 241000894433 Turbo <genus> Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D1/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
- F02B37/12—Control of the pumps
- F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D9/00—Stators
- F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
- F01D9/026—Scrolls for radial machines or engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
- F01D17/148—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of rotatable members, e.g. butterfly valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
- F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
- F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
- F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
- F02B37/12—Control of the pumps
- F02B37/24—Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
- F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
- F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
- F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Supercharger (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
Abstract
Ein Turbolader mit veränderlicher Geometrie ist vereinfacht, jedoch noch in der Lage, die Impulsenergie aufrechtzuerhalten. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist ein Turbinengehäuse mit einem schwenkbaren Stromsteuerventil versehen, das um einen Punkt in der Nähe des Eingangs in das Turbinengehäuse geschwenkt wird. Durch Bewegen des Ventils um den Schwenkpunkt wird das effektive Volumen des Turbinengehäuseverdichters geändert, wodurch das Volumen des Abgases im Verdichter effektiv verringert wird, wodurch eine Steuerung des zum Turbinenrad strömenden Abgases möglich ist. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein drehbares Keilsegment innerhalb des Verteilers aus einer ersten Position in eine zweite Position gedreht, wodurch das effektive Volumen des Verteilers geändert wird und eine Steuerung des zum Turbinenrad strömenden Abgases möglich ist.A variable geometry turbocharger is simplified but still capable of sustaining the momentum energy. According to a first embodiment, a turbine housing is provided with a pivotal flow control valve which is pivoted about a point near the entrance to the turbine housing. By moving the valve about the pivot point, the effective volume of the turbine housing compressor is changed, effectively reducing the volume of exhaust gas in the compressor, thereby allowing control of the exhaust gas flowing to the turbine wheel. According to the second embodiment of the invention, a rotatable wedge segment within the distributor is rotated from a first position to a second position, whereby the effective volume of the distributor is changed and control of the exhaust gas flowing to the turbine wheel is possible.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Diese Erfindung richtet sich auf den Bedarf an einer Turbinenstromsteuervorrichtung mit verringerten Kosten und einem vergrößerten Bereich, und sie erreicht dies durch Entwerfen eines Gehäuses eines vereinfachten Turboladers mit veränderlicher Geometrie, das einen gesteuerten asymmetrischen Strom zum Turbinenrad aufweist.This invention addresses the need for a turbine flow control device of reduced cost and increased range, and accomplishes this by designing a simplified variable geometry turbocharger housing having a controlled asymmetric flow to the turbine wheel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Turbolader sind ein Typ eines Systems mit erzwungener Induktion. Sie führen dem Motoreinlass Luft mit höherer Dichte zu als dies bei der normalen Ansaugkonfiguration möglich wäre, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, so dass die PS-Zahl des Motors erhöht wird, ohne das Gewicht des Motors erheblich zu vergrößern. Ein kleinerer turbogeladener Motor kann einen normalen Saugmotor mit einer höheren physikalischen Größe ersetzen, wodurch die Masse und die aerodynamische Frontfläche des Fahrzeugs verringert werden.Turbochargers are one type of forced induction system. They deliver higher density air to the engine intake than would be possible with the normal intake configuration, allowing more fuel to be burned, thus increasing the horsepower of the engine without significantly increasing the weight of the engine. A smaller turbocharged engine can replace a normal naturally aspirated engine with a larger physical size, thereby reducing the mass and aerodynamic frontal area of the vehicle.
Turbolader (
Die durch die Turbinenstufe entwickelte Leistung ist eine Funktion des Expansionsverhältnisses über die Turbinenstufe, d. h. des Expansionsverhältnisses vom Turbineneinlass (
Die Kompressorstufe besteht aus einem Rad und seinem Gehäuse. Gefilterte Luft wird durch die Drehung des Kompressorrads (
Der Entwurf der Turbinenstufe ist ein Kompromiss zwischen der für das Antreiben des Kompressors in verschiedenen Strombereichen in der Einhüllenden des Motorbetriebs erforderlichen Leistung, dem aerodynamischen Entwurf der Stufe, der Trägheit der sich drehenden Anordnung, von welcher die Turbine ein großer Teil ist, weil das Turbinenrad typischerweise aus Inconel hergestellt ist, das eine 3 Mal größere Dichte hat als das Aluminium des Kompressorrads, des Arbeitszyklus des Turboladers, der die strukturellen und materiellen Aspekte des Entwurfs beeinflusst, und des Nahfelds (Abgasstroms) sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Turbinenrads in Bezug auf die Schaufelanregung.The design of the turbine stage is a compromise between the power required to drive the compressor in different current ranges in the envelope of engine operation, the aerodynamic design of the stage, the inertia of the rotating assembly, of which the turbine is a large part, because the turbine wheel typically made of Inconel, which has a density three times greater than the aluminum of the compressor wheel, the duty cycle of the turbocharger that affects the structural and material aspects of the design, and the near field (exhaust flow) both upstream and downstream of the turbine wheel the blade excitation.
Ein Teil des physikalischen Entwurfs des Turbinengehäuses ist ein Verdichter (
Der Verdichter ist durch den abnehmenden Radius der äußeren Begrenzung des Verdichters (
Mehrere Eingangsverdichter können auch durch Unterteilen der Verdichterfläche in Umfangsrichtung erzeugt werden. Der Verdichter wird durch axiale Wände (
Zur Konsistenz des Produktentwurfs wird ein System verwendet, bei dem die Entwicklung des Verdichters am Schnitt ”A” (
Die Größe und die Form des Verdichters sind folgendermaßen definiert: Der weit verbreitet verwendete Begriff A/R stellt das Verhältnis zwischen der Teilfläche im Schnitt ”A” und dem Abstand vom Zentroid (
Der Schnitt ”A” wird um einen Winkel ”P” gegen die ”X”-Achse versetzt. Das Turbinengehäuse wird dann geometrisch in gleiche radiale Schnitte zerlegt (häufig 30°, so dass sie bei (30x + P°) liegen), und die Flächen (AA-M) und die Radien (RA-M) werden zusammen mit anderen geometrischen Definitionen in der Art der Eckradien definiert. Anhand dieser Definition werden Splines an Punkten entlang der Verdichterwände erzeugt, wodurch die gesamte Form des Verdichters definiert wird. Die Wanddicke wird zur Form des inneren Verdichters hinzugefügt, und es wird durch dieses Verfahren ein Turbinengehäuse definiert.The section "A" is offset by an angle "P" against the "X" axis. The turbine housing is then geometrically decomposed into equal radial sections (often 30 ° to lie at (30x + P °)), and the surfaces (A AM ) and radii (R AM ), along with other geometric definitions, in FIG Type of corner radii defined. Using this definition, splines are created at points along the compressor walls, thereby defining the overall shape of the compressor. The wall thickness is added to the shape of the inner compressor, and a turbine housing is defined by this method.
Die theoretisch optimierte Verdichterform für eine gegebene Fläche ist jene eines kreisförmigen Querschnitts, weil sie die minimale Oberfläche hat, welche die Fluidreibungsverluste minimiert. Der Verdichter wirkt jedoch nicht allein, sondern ist Teil eines Systems, so dass die Anforderungen des Stroms in den Ebenen vom in
Der Turbinengehäusefuß ist gewöhnlich von einem Standardentwurf, weil er zu Abgasverteilern vieler Motoren passt. Der Fuß kann in einem beliebigen Winkel zum ”Verdichter” oder in einer beliebigen Position zum ”Verdichter” angeordnet werden. Der Übergang von den Fußgasdurchgängen zum Verdichter erfolgt in einer Weise, welche den besten aerodynamischen und mechanischen Kompromiss bereitstellt.The turbine housing foot is usually of a standard design because it fits exhaust manifolds of many engines. The foot can be placed at any angle to the "compressor" or in any position to the "compressor". The transition from the foot gas passages to the compressor is in a manner that provides the best aerodynamic and mechanical compromise.
Die grob dreieckige Form der Verdichter in
In der kommerziellen Praxis werden Turbinengehäuse typischerweise in Familien (typischerweise 5 bis 7 in einer Familie) entworfen, wobei in einer gegebenen Familie Turbinenräder gleichen Durchmessers oder eine Gruppe von Rädern mit nahezu gleichem Durchmesser verwendet werden. Sie können die gleiche Turbinenfußgröße verwenden, auch wenn dieses Merkmal manchmal vom Kunden vorgegeben wird. Beispielsweise kann eine Familie von Turbinengehäusen für ein 63-mm-Turbinenrad einen A/R-Bereich von 1,8 bis 2,2 abdecken.
Einige Turbinenräder sind spezifisch dafür ausgelegt, diese Impulsenergie zu bändigen und sie in eine Drehgeschwindigkeit umzuwandeln. Demgemäß ist die Umwandlung des Drucks und der Geschwindigkeit aus dem Abgas für ein Impulsstrom-Turbinenrad in einem unterteilten Turbinengehäuse größer als die Umwandlung des Drucks und der Geschwindigkeit von einem Gleichgewichts-Abgasstrom in die Turbinenradgeschwindigkeit. Die Impulsenergie ist bei herkömmlichen Dieselmotoren, die bei etwa 2200 U/min bei einem Spitzendrehmoment bei 1200 bis 1400 U/min arbeiten, erheblicher als bei Benzinmotoren, die bei viel höheren Drehgeschwindigkeiten, häufig bis zu 6000 U/min, mit einem Spitzendrehmoment bei 4000 U/min, arbeiten, so dass der Impuls nicht so gut definiert ist.Some turbine wheels are specifically designed to curb this pulse energy and convert it to a rotational speed. Accordingly, the conversion of the pressure and velocity from exhaust gas for a pulse turbine impeller in a split turbine casing is greater than converting the pressure and velocity from an equilibrium exhaust gas flow to the turbine wheel speed. The pulse energy is more significant in conventional diesel engines operating at about 2200 RPM with peak torque at 1200 to 1400 RPM than in gasoline engines operating at much higher rotational speeds, often up to 6000 RPM, with peak torque at 4000 RPM, work so that the impulse is not well defined.
Die grundlegende Turboladerkonfiguration ist jene eines festen Turbinengehäuses. Bei dieser Konfiguration werden die Form und das Volumen des Turbinengehäuseverdichters im Entwurfsstadium festgelegt und am Ort gegossen. Die meisten Dieselturbinengehäuse sind von der unterteilten Abart mit einer radialen Trennwand (
Das nächste Niveau der Höherentwicklung nach dem festen Turbinengehäuse besteht in einem Wastegate-Turbinengehäuse. Bei dieser Konfiguration wird der Verdichter wie bei der vorstehenden festen Konfiguration am Ort gegossen. In
Das Wastegate ist in seiner einfachsten Form ein Ventil (
Ein vorteilhaftes Nebenprodukt des Wastegate-Turbinengehäuses ist die Möglichkeit, das A/R-Verhältnis der Turbinengehäuse zu verringern. Weil die Obergrenze der Verstärkung durch das Wastegate gesteuert wird, kann eine Verringerung des A/R-Verhältnisses bessere transiente Ansprecheigenschaften bereitstellen, während die Obergrenze noch gesteuert wird. Falls der Wastegate-Turbolader allerdings ein ”einfaches” Stellglied aufweist, das nur bei einem Druck- oder Vakuumsignal öffnet, und in der Höhe betätigt wird, wird das kritische Druckverhältnis, bei dem sich das Ventil öffnet, nachteilig beeinflusst. Weil das Diagramm in dem Stellglied den Verstärkungsdruck auf einer Seite und den barometrischen Druck auf der anderen misst, besteht die Tendenz darin, dass das Stellglied später öffnet (weil der barometrische Druck in der Höhe niedriger ist als auf Meeresniveau), was zu einer zu hohen Verstärkung für den Motor führt. Durch Einführen eines Turbinengehäuses mit einem kleineren A/R-Verhältnis, um das Wastegate auszunutzen, verringert diese A/R-Verringerung auch den Strombereich der Turbinenstufe.An advantageous by-product of the wastegate turbine housing is the ability to reduce the A / R ratio of the turbine housings. Because the upper limit of gain is controlled by the wastegate, reducing the A / R ratio can provide better transient response characteristics while still controlling the upper limit. However, if the wastegate turbocharger has a "simple" actuator that opens only at a pressure or vacuum signal and is actuated at altitude, the critical pressure ratio at which the valve opens will be adversely affected. Because the graph in the actuator measures the boost pressure on one side and the barometric pressure on the other, there is a tendency for the actuator to open later (because the barometric pressure is lower in altitude than at sea level), which is too high Reinforcement for the engine leads. By introducing a turbine housing with a smaller A / R ratio to utilize the wastegate, this A / R reduction also reduces the turbine stage's current range.
Motorverstärkungsanforderungen sind die vorherrschenden treibenden Elemente für die Auswahl der Kompressorstufe. Die Auswahl und der Entwurf des Kompressors ist ein Kompromiss zwischen der Verstärkungsdruckanforderung des Motors, dem vom Motor benötigten Massenstrom, dem von der Anwendung geforderten Wirkungsgrad, der vom Motor und von der Anwendung geforderten Kennfeldbreite, der Höhe und dem Tastverhältnis, denen der Motor zu unterziehen ist, den Zylinderdruckgrenzen des Motors usw.Engine boost requirements are the predominant driving elements for selecting the compressor stage. The selection and design of the compressor is a compromise between the engine boost pressure requirement, the mass flow required by the engine, the efficiency demanded by the application, the map width required by the engine and application, the altitude, and the duty cycle to which the engine is subjected is, the cylinder pressure limits of the engine, etc.
Der Grund dafür, dass dies für den Betrieb eines Turboladers wichtig ist, besteht darin, dass das Hinzufügen eines Wastegates zur Turbinenstufe das Anpassen an den Niedergeschwindigkeitsbereich mit einem kleineren Turbinenrad und -gehäuse ermöglicht. Demgemäß bringt das Hinzufügen eines Wastegates die Option einer Verringerung der Trägheit mit sich. Weil eine Verringerung der Trägheit der sich drehenden Anordnung typischerweise zu einer Verringerung teilchenförmiger Materie (PM) führt, sind Wastegates in auf Schnellstraßen betriebenen Fahrzeugen üblich geworden. Das Problem besteht darin, dass die meisten Wastegates in gewisser Hinsicht in ihrem Betrieb binär sind, was nicht gut zur linearen Beziehung zwischen der Motorausgangsleistung und der Motorgeschwindigkeit passt.The reason that this is important to the operation of a turbocharger is that the addition of a wastegate to the turbine stage allows it to adapt to the low speed range with a smaller turbine wheel and casing. Accordingly, the addition of a wastegate entails the option of reducing inertia. Because reducing the inertia of the rotating assembly typically results in a reduction of particulate matter (PM), wastegates have become commonplace in highway-powered vehicles. The problem is that most wastegates are somewhat binary in their operation, which does not fit well with the linear relationship between engine output and engine speed.
Das nächsthöhere Entwicklungsniveau bei der Verstärkungssteuerung von Turboladern ist die VTG (der allgemeine Begriff für veränderliche Turbinengeometrie (”variable turbine geometry”)). Einige dieser Turbolader haben sich drehende Turbinenschaufeln, und einige haben gleitende Abschnitte oder Ringe. Einige Bezeichnungen für diese Vorrichtungen sind veränderliche Turbinengeometrie (VTG), Turbine veränderlicher Geometrie (VGT), Turbine mit veränderlicher Düse (VNT) oder einfach veränderliche Geometrie (VG).The next higher level of development in turbocharger gain control is VTG (the generic term for variable turbine geometry). Some of these turbochargers have rotating turbine blades, and some have sliding sections or rings. Some designations for these devices are variable turbine geometry (VTG), variable geometry turbine (VGT), variable nozzle turbine (VNT) or single variable geometry (VG).
VTG-Turbolader verwenden einstellbare Führungsturbinenschaufeln (
Die Kosten eines typischen VTG-Turboladers im gleichen Produktionsvolumen betragen 270% bis 300% der Kosten von Turboladern fester Geometrie gleicher Größe. Diese Disparität ist auf eine Anzahl relevanter Faktoren von der Anzahl der Komponenten, der Materialien der Komponenten, der bei der Herstellung und Bearbeitung der Komponenten erforderlichen Genauigkeit bis zur Geschwindigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Stellglieds zurückzuführen. Das Diagramm in
Es ist daher ersichtlich, dass sowohl aus technischen Gründen als auch in Hinblick auf Kostentreiber ein Bedarf an einer verhältnismäßig kostengünstigen Turbinenstromsteuervorrichtung besteht, die in Bezug auf die Kosten zwischen Wastegates und existierende VTGs passt.It can therefore be seen that there is a need for a relatively inexpensive turbine flow control device that fits in terms of cost between waste gates and existing VTGs, both for technical reasons and in terms of cost drivers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft einen vereinfachten, kostengünstigen Turbolader mit veränderlicher Geometrie und insbesondere eine Turbinenstromsteuervorrichtung, welche ein unterteiltes Turbinengehäuse mit asymmetrischen Verdichter-A/R in Zusammenhang mit einer Strommodulationsvorrichtung verwendet, um den effektiven Abgasmassenstrom zum Turbinenrad zu ändern, während der Turbinenstufen-Strombereich vergrößert wird. Durch Steuern des Abgasmassenstroms, den das Turbinengehäuse zum Turbinenrad lenkt, mit einem Satz asymmetrisch konfigurierter Verdichterquerschnittsbereiche und Steuern des Stroms durch die beiden Verdichter mit einer verhältnismäßig einfachen Stromsteuervorrichtung kann der Strombereich in einer Weise, in der der mit symmetrisch konfigurierten Verdichterquerschnittsbereichen ohne die Stromsteuervorrichtung verfügbare Bereich überschritten werden kann, sowohl verbreitert als auch gesteuert werden.The present invention relates to a simplified, low cost, variable geometry turbocharger and, more particularly, to a turbine flow control device which utilizes a split turbine housing with asymmetric compressor A / R in conjunction with a power modulating device to change the effective exhaust mass flow to the turbine wheel as the turbine stage current range increases becomes. By controlling the exhaust mass flow that the turbine housing directs to the turbine wheel with a set of asymmetrically configured compressor throat areas and controlling the flow through the two compressors with a relatively simple flow control device, the flow range may be in a range that provides the symmetrically configured compressor throat area without the flow control device can be exceeded, both widened and controlled.
Der Turbolader mit veränderlicher Geometrie ist vereinfacht aber dennoch in der Lage, die Impulsenergie aufrechtzuerhalten. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist ein Turbinengehäuse mit einem schwenkbaren Stromsteuerventil, das um einen Punkt in der Nähe des Eingangs in das Turbinengehäuse schwenkt, versehen. Durch Bewegen des Ventils um den Schwenkpunkt wird der Strom durch das Turbinengehäuse am großen Verdichter zunehmend blockiert, wodurch der Strom zum kleinen Verdichter begünstigt wird und von dort aus zum Turbinenrad fortgesetzt wird, wodurch bewirkt wird, dass das Turbinengehäuse durch den effektiven Verlust des größeren Verdichters als ein Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis wirkt. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung schwenkt ein drehbares schmetterlingsförmig ausgelegtes Stromsteuerventil innerhalb des Verdichters, das um die Mitte der Ventilplatte schwenkt, und um die Mittellinie, um den Strom von dem großen Verdichter zu dem kleinen Verdichter und weiter zum Turbinenrad zu ändern und dadurch zu bewirken, dass das Turbinengehäuse als ein Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis wirkt.The variable geometry turbocharger is simplified but still able to sustain the momentum energy. According to a first embodiment, a turbine housing is provided with a pivotal flow control valve which pivots about a point near the entrance to the turbine housing. Moving the valve about the pivot point progressively blocks the flow through the turbine housing at the large compressor, thereby encouraging flow to the small compressor and continuing from there to the turbine wheel, thereby causing the turbine housing to effectively lose the larger compressor acts as a turbine housing with a smaller A / R ratio. According to the second embodiment of the invention, a rotatable butterfly shaped flow control valve pivots within the compressor which pivots about the center of the valve plate and about the centerline to change and thereby cause the flow from the large compressor to the small compressor and on to the turbine wheel in that the turbine housing acts as a turbine housing with a smaller A / R ratio.
Von den Erfindern ausgeführte Tests haben festgestellt, dass eine 60/40-Aufteilung der ”A”-Abschnittsflächen mit der Nabenseite bei 60% und der Luftkanalseite bei 40% eine wünschenswerte Massenstromaufteilung bei ganz geöffnetem Beschränkungsventil erzeugte. Das asymmetrische Turbinengehäuse hat einen größeren linken oder nabenseitigen Verdichter (
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Die vorliegende Erfindung wird in der anliegenden Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend erläutert. Es zeigen:The present invention is illustrated by way of example and not limitation in the accompanying drawings in which like reference numerals refer to like parts. Show it:
die
die
die
die
die
die
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Wie vorstehend erörtert wurde, neigen Mechanismen mit veränderlicher Geometrie dazu, die Kosten des einfachen Turboladers mehr als zu verdoppeln. Die Erfinder haben angestrebt, den Abgasstrom zum Turbinenrad kosteneffizienter modulieren zu können. Daher haben die Erfinder mit Entwürfen experimentiert, die unterteilte Verdichterbereiche aufweisen, kombiniert mit einer Strömungswiderstandsvorrichtung, um sowohl eine kostenwirksame als auch eine technisch wirksame Alternative für das Steuern des erforderlichen breiten Bereichs des Abgasstroms zur Turbine bereitzustellen. Zusätzlich zu den vorstehenden Vorteilen haben die Erfinder angestrebt, einen an Niederstrombereiche angepassten Turbolader bereitzustellen, der ein optimiertes transientes Ansprechen des Turboladers (und damit des Motors) für niedrige Ströme bereitstellen würde, während er noch in der Lage wäre, bei anderen als Niederstrombedingungen in demselben kostenwirksamen Turbolader die vom Motor geforderten hohen Ströme zu liefern. Dieses Ziel hält die Gasgeschwindigkeiten im idealen Bereich, worin die Stufenwirksamkeiten maximiert sind.As discussed above, variable geometry mechanisms tend to more than double the cost of the simple turbocharger. The inventors sought to be able to more modulate the exhaust gas flow to the turbine wheel more cost-effectively. Therefore, the inventors have experimented with designs having subdivided compressor regions combined with a drag device to provide both a cost effective and technically effective alternative for controlling the required wide range of exhaust gas flow to the turbine. In addition to the above advantages, the inventors sought to provide a low flow range adapted turbocharger that would provide optimized transient response of the turbocharger (and thus the engine) for low currents while still capable of operating at other than low flow conditions cost-effective turbocharger to deliver the high currents required by the engine. This goal keeps the gas velocities in the ideal range where the step efficiencies are maximized.
Wenn ein Turbolader an die maximale Stromanforderung eines Motors angepasst ist, werden die Stromanforderungen über den gesamten Motorbetriebsbereich erfüllt. Das Problem besteht darin, dass das Anpassen des Turboladers an die maximale Stromanforderung bedeutet, dass die Größe des Turbinengehäuseverdichters (und damit des Stroms) für Niederstrombereiche des Motors viel zu hoch ist. Die transienten Ansprecheigenschaften des Turboladers sind träge, weil der gesamte Verdichter gefüllt werden muss, um dem Turbinenrad einen Strom zuzuführen. Weil das Verringern des A/R-Verhältnisses eines Turboladerturbinengehäuses zum Erfüllen der Niederstromanforderung bedeuten würde, dass der mit typischen Geschwindigkeitsbeschränkungen arbeitende Turbolader nicht in der Lage ist, für die Hochstromanforderung des oberen Endes der Motorbetriebsbereiche genügend Strom bereitzustellen, haben die Erfinder erkannt, dass es erforderlich ist, einen neuartigen Turbolader mit veränderlicher Geometrie bereitzustellen. Ferner verwenden bei heutigen EGR-(Abgasrückführung – ”Exhaust Gas Recirculation”)-Anforderungen OEM-Hersteller große EGR-Beträge bei Teillast (beispielsweise 40% Last) und keine EGR bei hoher Geschwindigkeit, sie möchten jedoch von einem Marktstandpunkt noch die bestmögliche Leistung bei Volllast liefern. Eine hohe EGR bei einer niedrigen Geschwindigkeit oder bei Teillast erfordert einen niedrigen Massenstrom. Die bestmögliche Leistung am Nennpunkt ohne EGR erfordert einen hohen Massenstrom, so dass ersichtlich ist, dass der Massenstrombereich der Turbine in der Lage sein muss, die Stromanforderungen an diesen beiden Extremen zu erfüllen.When a turbocharger is adapted to the maximum power requirement of an engine, the power requirements are met over the entire engine operating range. The problem is that matching the turbocharger to the maximum power requirement means that the size of the turbine housing compressor (and thus the current) is too high for low-current areas of the engine. The transient response characteristics of the turbocharger are sluggish because the entire compressor must be filled to supply power to the turbine wheel. Because reducing the A / R ratio of a turbocharger turbine housing to meet the low-current requirement would mean that the typical speed-limiting turbocharger is unable to handle the high-end high end demand To provide sufficient power to the engine operating areas, the inventors have realized that it is necessary to provide a novel variable geometry turbocharger. Further, in today's EGR (Exhaust Gas Recirculation) requirements, OEM manufacturers use large amounts of EGR at part load (eg, 40% load) and no EGR at high speed, but still want the best possible performance from a market standpoint Deliver full load. High EGR at low speed or at partial load requires a low mass flow. The best possible performance at the nominal point without EGR requires a high mass flow, so it can be seen that the mass flow range of the turbine must be able to meet the current requirements at these two extremes.
Die Formen und Abmessungen des Turbinengehäuseverdichters sind durch die Fläche des Abschnitts ”A” definiert, und alle Merkmale und Abmessungen stromabwärts des Abschnitts ”A” werden durch die Merkmale und Abmessungen in Abschnitt ”A” gesteuert. Dieses System wird für die Konsistenz des Entwurfs in Turboladern verwendet, die von einem Turboladerhersteller entworfen und hergestellt werden.The shapes and dimensions of the turbine housing compressor are defined by the area of section "A", and all features and dimensions downstream of section "A" are controlled by the features and dimensions in section "A". This system is used for the consistency of the design in turbochargers designed and manufactured by a turbocharger manufacturer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen die Erfinder einen neuartigen Turbinenentwurf bereit, der in der Lage ist, einen breiteren Turbinenstrombereich zu erzeugen, als er mit Verdichtern gleicher Fläche verfügbar wäre.In accordance with the present invention, the inventors provide a novel turbine design that is capable of producing a wider turbine flow area than would be available with equal area compressors.
Durch Steuern des Massenstroms durch das Turbinengehäuse haben die Erfinder angestrebt, den Massenstrom des durch das Turbinengehäuse zum Turbinenrad strömenden Gases zu steuern. Wenn der Motor unter einer Bedingung einer niedrigen Geschwindigkeit und einer niedrigen Last arbeitet, ist das Verstärkungsniveau, das erforderlich ist, um das erforderliche Verbrennungsgas (Luft) zuzuführen, verhältnismäßig niedrig. Wenn sich der Motor unter einer Bedingung einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last befindet, ist das Verstärkungsniveau, das erforderlich ist, um den Motor unter diesen Lastbedingungen zu versorgen, hoch. Wenn der Motor von Niederlastbedingungen zu Hochlastbedingungen übergeht, muss der Turbolader ein zunehmendes Luftvolumen bei einem erhöhten Druckverhältnis zuführen. Weil die Kompressorstufe durch die Turbinenstufe angetrieben wird, muss sich der Abgasmassenstrom, der erforderlich ist, um die Anforderungen des Motors (und damit des Kompressors) zu erfüllen, ändern. Das heißt, dass unter der Bedingung einer niedrigen Last und einer niedrigen Geschwindigkeit des Motors die Motorabgasausgabe in Bezug auf den Massenstrom niedrig ist. Unter der Bedingung einer hohen Last und einer hohen Motorgeschwindigkeit ist die Motorausgabe in Bezug auf den Massenstrom hoch. In der Übergangsstufe muss sich der Abgasmassenstrom von niedrig zu hoch ändern.By controlling the mass flow through the turbine housing, the inventors sought to control the mass flow of gas flowing through the turbine housing to the turbine wheel. When the engine operates under a low-speed, low-load condition, the boosting level required to supply the required combustion gas (air) is relatively low. When the engine is under a high-speed, high-load condition, the boost level required to power the engine under these load conditions is high. As the engine transitions from low load conditions to high load conditions, the turbocharger must supply an increasing volume of air at an increased pressure ratio. Because the compressor stage is driven by the turbine stage, the exhaust mass flow required to meet the requirements of the engine (and hence the compressor) must change. That is, under the condition of a low load and a low speed of the engine, the engine exhaust output with respect to the mass flow is low. Under the condition of high load and high engine speed, the engine output is high in terms of mass flow. In the transition stage, the exhaust gas mass flow must change from low to high.
Das Problem besteht darin, dass die Turbinenstufe an beide der vorstehend beschriebenen grundlegenden Motorbedingungen, zusätzlich zu den EGR-Anforderungen, angepasst werden muss, um zu ermöglichen, dass der Turbolader das erforderliche Strom- und Druckverhältnis bei all diesen Bedingungen liefert. Um den Turbolader zu zwingen, die Geschwindigkeit schnell zu ändern, würden Fachleute einen Turbolader mit einem Turbinengehäuse mit einem kleinen A/R-Verhältnis wählen. Um das erforderliche Strom- und Druckverhältnis unter der Bedingung einer hohen Last und einer hohen Geschwindigkeit bereitzustellen, würde ein Turbolader mit einem Turbinengehäuse mit einem größeren A/R-Verhältnis gewählt werden. Das erstgenannte Turbinengehäuse mit einem kleinen A/R-Verhältnis stellt gute transiente Ansprecheigenschaften bereit, führt jedoch zu einem unzureichenden Massenstrom zur Turbinenstufe, um die Anforderung eines mit einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last arbeitenden Kompressors zu erfüllen. Das letztgenannte Turbinengehäuse mit einem hohen A/R-Verhältnis erfüllt die Anforderung bezüglich des Massenstroms zur Turbinenstufe für die Anforderung einer Verstärkung bei einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last, ist jedoch nicht in der Lage, das Turbinenrad schnell genug zu beschleunigen, um ein akzeptables transientes Ansprechen zu erzeugen.The problem is that the turbine stage must be adapted to both of the basic engine conditions described above, in addition to the EGR requirements, to allow the turbocharger to provide the required flow and pressure ratio under all of these conditions. To force the turbocharger to change speed quickly, experts would choose a turbocharger with a turbine housing with a small A / R ratio. To provide the required flow and pressure ratio under high load and high speed conditions, a turbocharger with a turbine housing having a larger A / R ratio would be selected. The former turbine housing with a small A / R ratio provides good transient response characteristics, but results in insufficient mass flow to the turbine stage to meet the requirement of a high speed, high load compressor. The latter high A / R ratio turbine housing meets the mass flow requirement for the turbine stage for the requirement of high speed, high load boost, but is unable to accelerate the turbine wheel fast enough to be acceptable generate transient response.
Offensichtlich wäre es schön, ein System mit zwei Turboladern zu haben, nämlich einem größeren und einem kleineren, und zwischen den beiden umschalten zu können. Ein solches System wäre allerdings kostspielig, es würde eine große ”Wärmesenke” darstellen, viel Platz im Motorraum einnehmen und die Masse des Fahrzeugs vergrößern.Obviously, it would be nice to have a system with two turbochargers, one larger and one smaller, and able to switch between the two. However, such a system would be costly, it would create a large "heat sink", occupy much space in the engine compartment and increase the mass of the vehicle.
Eine geeignet angepasste Turbinenstufe mit einem kleinen A/R-Verhältnis, die allein wirkt, stellt ein akzeptables transientes Ansprechen bereit, wenn auch auf Kosten eines höheren Staudrucks als bei einer Turbinenstufe, die an die Bedingung einer hohen Last und einer hohen Geschwindigkeit angepasst ist. Bei einem Nicht-EGR-Motor ist das Vorhandensein eines hohen Staudrucks nachteilig für die Druckdifferenz über den Motor und damit für den Wirkungsgrad des Motors. Bei einer Hochdruckschleifen-EGR-Motorkonfiguration (gegenüber einer Niederdruckschleifen-EGR-Motorkonfiguration) ist der hohe Staudruck im Abgassystem Teil der Lösung, um das Abgas von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors, an der eine Druckverstärkung auftritt, zu treiben. Ein großes Turbinengehäuse-A/R-Verhältnis für einen gegebenen Satz von Motorparametern entwickelt einen niedrigeren Abgasstaudruck als dies bei einem Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis unter dem gleichen Satz von Motorparametern der Fall wäre. Daher ermöglicht die Fähigkeit, das effektive A/R-Verhältnis des Turbinengehäuses zu ändern, dass ein einziger Turbolader sowohl die Strom- als auch die Staudruckanforderungen einer Bedingung einer niedrigen Geschwindigkeit und einer niedrigen Last und einer Bedingung einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last erfüllt.A suitably adjusted turbine stage with a small A / R ratio acting alone provides an acceptable transient response, albeit at the cost of a higher back pressure than a turbine stage adapted to the high load and high speed condition. In a non-EGR engine, the presence of a high back pressure is detrimental to the pressure differential across the engine and hence to the efficiency of the engine. In a high pressure loop EGR engine configuration (versus a low pressure EGR engine configuration), the high back pressure in the exhaust system is part of the solution to remove the exhaust gas from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine at one Pressure amplification occurs to drive. A large turbine case A / R ratio for a given set of engine parameters develops a lower exhaust back pressure than would be the case with a turbine case having a smaller A / R ratio under the same set of engine parameters. Therefore, the ability to change the effective A / R ratio of the turbine housing allows a single turbocharger to meet both the current and dynamic pressure requirements of a low speed and low load condition and a high speed, high load condition.
Durch Steuern des Abgasmassenstroms, den das Turbinengehäuse zum Turbinenrad lenkt, mit einem Satz asymmetrisch ausgelegter Verdichterquerschnittsbereiche und durch Steuern des Stroms durch die zwei Verdichter mit einer verhältnismäßig einfachen Stromsteuervorrichtung kann der Strombereich in einer Weise sowohl verbreitert als auch gesteuert werden, dass der mit symmetrisch ausgelegten Verdichterquerschnittsbereichen ohne die Flusssteuervorrichtung verfügbare Bereich überschritten wird.By controlling the exhaust mass flow that the turbine housing directs to the turbine wheel with a set of asymmetrically designed compressor cross-sectional areas and controlling the flow through the two compressors with a relatively simple power control device, the current range can be both widened and controlled in a manner that is symmetrically designed Compressor cross-section areas without the flow control device available range is exceeded.
Nach dem anfänglichen Experimentieren mit einem symmetrisch unterteilten Verdichterturbinengehäuse haben die Erfinder als nächstes mit asymmetrisch unterteilten Turbinengehäusen experimentiert und festgestellt, dass durch Ersetzen von einem der Verdichter durch einen anderen Verdichter mit einem kleineren A/R-Verhältnis der Strombereich abfällt und der maximale Strombereich durch diesen Verdichter auch abfällt. Ähnlich würde der maximale Strombereich dieses Verdichters durch Ersetzen eines Verdichters durch einen anderen Verdichter mit einem größeren A/R-Verhältnis ansteigen. Durch Bilden einer Kombination aus einem größeren und einem kleineren Verdichter und Steuern des Grads der Blockage des größeren Verdichters überschreitet der Strombereich des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses jenen des ursprünglichen Prototyps des Turbinengehäuses mit einem symmetrisch unterteilten Verdichter. In
Um ein optimales asymmetrisches Turbinengehäuse herzustellen, haben die Erfinder mehrere Optionen von Verdichtergrößen von einem Verdichter-A/R-Verhältnis nach oben oder einem Verdichter nach unten von Verdichtern gleicher Größe oder ausgehend von Verdichtern gleicher Größe, wobei die Nabenseite um ein Verdichter-A/R-Verhältnis erhöht und die Luftkanalseite um ein Verdichter-A/R-Verhältnis verringert wurde, betrachtet. Von den Erfindern ausgeführte Tests haben festgestellt, dass die letztgenannte Lösung, die eine 60/40-Teilung von ”A”-Abschnittsflächen mit der Nabenseite bei 60% und der Luftkanalseite bei 40% war, das gewünschte Massenstromverhältnis bei ganz geöffnetem Beschränkungsventil erzeugte.In order to produce an optimum asymmetric turbine casing, the inventors have several options of compressor sizes from a compressor A / R ratio up or a compressor down from compressors of the same size or from compressors of the same size, the hub side being one compressor-A / R ratio increased and the air duct side was reduced by a compressor A / R ratio considered. Tests conducted by the inventors found that the latter solution, which was a 60/40 split of "A" sectional areas with the hub side at 60% and the air duct side at 40%, produced the desired mass flow ratio with the restrictor fully open.
Bei allen unterteilten Turbinengehäusen existiert ein ”Querströmungsschleier” zwischen der Spitze der Trennwand, am minimalen Durchmesser, und den Spitzen des Turbinenrads. Um die Turbinenradanregung zu minimieren, die durch die Wirkung der rotierenden Turbinenradschaufeln hervorgerufen wird, welche die statische Zunge (
Für eine Turbinenstufe mit einem Basiskreis, dessen Durchmesser 120% des Turbinenraddurchmessers ist, existiert ein ”Querströmungsschleier” mit einer Fläche, die 70% bis 105% der Fläche beider Verdichter in einer symmetrischen Konfiguration beträgt, in Abschnitt ”A” für eine Turbinengehäusefamilie von 5 A/R. Für eine Turbinenstufe mit einem Basiskreis, dessen Durchmesser 150% des Turbinenraddurchmessers ist, hat der ”Querströmungsschleier” eine Fläche, die 199% bis 299% der Fläche beider Verdichter in einer symmetrischen Konfiguration beträgt, im Abschnitt ”A” für eine Turbinengehäusefamilie von 5 A/R. Aus dieser Analyse ist ersichtlich, dass die Schleierfläche eine sehr große Querschnittsfläche für eine Querströmung von einem Verdichter zum anderen bereitstellen kann.For a turbine stage with a base circle whose diameter is 120% of the turbine wheel diameter, there exists a "crossflow veil" with an area that is 70% to 105% of the area of both compressors in a symmetric configuration, in section "A" for a turbine housing family of FIG A / R. For a turbine stage with a base circle whose diameter is 150% of the turbine wheel diameter, the "crossflow veil" has an area that is 199% to 299% of the area of both compressors in a symmetric configuration, in section "A" for a turbine housing family of 5A / R. From this analysis, it can be seen that the veil surface can provide a very large cross-sectional area for cross-flow from one compressor to another.
Weil die Schleierfläche eine Funktion sowohl des Turbinenraddurchmessers D3 als auch der minimalen Position der Trennwand Dbc ist, variiert die Schleierfläche für verschiedene Werte von D3.
Die Erfinder haben durch Testen mit einem 64-mm-Turbinenrad festgestellt, dass für eine asymmetrisch ausgelegte 60/40-Verdichterkombination mit einem Beschränkungsventil die optimale Querströmungsfläche, die Öffnungen in der Trennwand zuzüglich der Fläche des ”Grundkreisschleiers” einschließt (durch die Differenz zwischen der Fläche unter Dbc und der Fläche unter D3 bestimmt) eine Fläche mit einem Verhältnis von 289,6% einer einzelnen symmetrischen Verdichterquerschnittsfläche in Abschnitt ”A” (d. h. die Hälfte der Fläche in Abschnitt ”A”) war. Dies ist mit der typischen Querströmungsfläche des Turbinengehäuses gleicher Größe ohne Schlitze oder Öffnungen mit dem gleichen Verhältnis von Dbc/D3 zu vergleichen, die eine Querströmungsfläche von nur 182,6% der Hälfte der Fläche in Abschnitt ”A” hat.The inventors have found, by testing with a 64 mm turbine wheel, that for an asymmetrically designed 60/40 compressor combination with a restriction valve, the optimal cross flow area includes the openings in the dividing wall plus the area of the "basement curtain" (by the difference between the area under D bc and the area under D 3 determines) a surface with a ratio of 289.6% of a single symmetrical compressor cross-sectional area in the section "a" (ie, the half of the area in section "a") was. This is to be compared with the typical cross-flow area of the same sized turbine housing without slots or openings with the same ratio of D bc / D 3 , which has a cross flow area of only 182.6% of the area half in section "A".
Wie im Fall der Beziehung zwischen den Schleierflächen und D3 und Dbc wird die gesamte Querströmungsfläche (
Zum Auswählen einer Querströmungsfläche ist der Wert von D3, der Durchmesser des Turbinenrads in Zoll, zu bestimmen. Das Beispiel ist jenes eines 76 mm (2,992'') messenden Turbinenrads, das als eine horizontale Linie (
Die Formel, welche die Datenpunkte erzeugt, die in den in den
Wie in
Das asymmetrische Turbinengehäuse hat einen größeren linken oder nabenseitigen Verdichter (
Wie in
Eine Schnittansicht dieser Version der Strombegrenzervorrichtung ist in
Die Erfinder haben festgestellt, dass das Verhältnis zwischen dem Verstärkungsdruck und dem Staudruck sowie der Staudruck allein als Funktion der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast, sowohl auf dem Meeresniveau als auch in der Höhe zunahmen, wodurch die Strombegrenzervorrichtung in dem Abgassystem zu einem idealen Steuerparameter wurde. Wenn der schwenkbare Strombegrenzer zur geschlossenen Position hin gedreht wird, wirkt das Turbinengehäuse als ob es ein Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis wäre als in einem Fall, in dem sich der Strombegrenzer in der offenen Position befindet. Dies bewirkt, dass der Abgasstaudruck ansteigt, was für einen EGR-Strom von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors erforderlich ist. Demgemäß kann die Drehung des Strombegrenzers verwendet werden, um eine Druckdifferenz (von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors) zu entwickeln, um den EGR-Strom von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors zu unterstützen.The inventors have found that the ratio between boost pressure and back pressure and back pressure alone increased as a function of engine speed and engine load, both at sea level and altitude, thereby making the current limiter device in the exhaust system an ideal control parameter. When the swingable current limiter is rotated toward the closed position, the turbine housing acts as if it were a turbine housing with a smaller A / R ratio than in a case where the current limiter is in the open position. This causes the exhaust back pressure to increase, which is required for an EGR flow from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine. Accordingly, the rotation of the current limiter may be used to develop a pressure difference (from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine) to assist the EGR flow from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird der effektive Massenstrom zum Turbinenrad durch einen Strombegrenzer gesteuert, der um einen Punkt im Turbinengehäuseeinlass oder -fuß geschwenkt wird, so dass das schwenkbare Ventilelement (
Bei einer in den
Wenn sich der Strombegrenzer in der teilweise offenen Position befindet, kann der Strom vom luftkanalseitigen (kleineren) Verdichter (
Typischerweise sind die Trennwände der Turbinengehäuse in der Welt kommerzieller Dieselmotoren, in der erwartet werden kann, dass das Produkt eine Million Meilen läuft, für Risse anfällig. Die Erfinder haben eine Gelegenheit gesehen, diese Rissanfälligkeit in der Trennwand durch Einbringen vorgegossener spannungsverringernder Merkmale in der Trennwand mechanisch zu minimieren.
Die Erfinder haben vermutet, dass, wenn ”Spannungsminderer” in Form von Schlitzen oder Öffnungen in die Trennwand eingegossen werden, diese Öffnungen nicht nur die Rissneigung minimieren würden, sondern unter Bedingung eines teilweisen bis vollständigen Schließens des Beschränkungsventils auch einen Stromweg vom unmodulierten luftkanalseitigen Verdichter zum modulierten nabenseitigen Verdichter bereitstellen würden. Dieser zusätzliche Stromweg bietet einen Strom zum Turbinenrad über eine größere Umfangsstrecke oder -fläche als dies ohne die Schlitze oder Öffnungen möglich wäre.The inventors have suggested that if "voltage reducers" in the form of slots or openings are poured into the dividing wall, these openings would minimize not only the tendency to crack, but also a current path from the unmodulated air channel side compressor to partial closing of the restricting valve would provide modulated hub-side compressor. This additional power path provides power to the turbine wheel over a larger circumferential distance or area than would be possible without the slots or openings.
Gemäß der in
Bei einer in
Mehrstrom-Turbinengehäuse mit der Verdichtertrennwand parallel zur Turboladerachse, d. h. axialen Flächen statt radialer Flächen wie bei dem einfachen Doppelstromturbinengehäuse, sind nicht unüblich. Die Erfinder haben die Gelegenheit gesehen, eine ähnliche Logik für Mehrstrom-Turbinengehäuse mit asymmetrischen Verdichterflächen in Zusammenhang mit einem Strombegrenzer zu verwenden, um den Strombereich einer Turbinenstufe mit diesem Typ eines Turbinengehäuses weiter kostenwirksam zu verbreitern.Multi-flow turbine casing with the compressor dividing wall parallel to the turbocharger axis, d. H. Axial surfaces instead of radial surfaces as in the simple double-flow turbine housing, are not uncommon. The inventors have seen the opportunity to use similar logic for multi-flow turbine housings with asymmetric compressor surfaces in conjunction with a current limiter to further cost-effectively broaden the current range of a turbine stage with this type of turbine housing.
Gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Dreistrom-Turbinengehäuse verwendet, wie es in
Bei einer Variation der dritten Ausführungsform der Erfindung sind die Trennwände (
Claims (14)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US41051910P | 2010-11-05 | 2010-11-05 | |
US61/410,519 | 2010-11-05 | ||
PCT/US2011/059043 WO2012061545A2 (en) | 2010-11-05 | 2011-11-03 | Simplified variable geometry turbocharger with increased flow range |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE112011103079T5 true DE112011103079T5 (en) | 2013-08-08 |
Family
ID=46025097
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE112011103079T Withdrawn DE112011103079T5 (en) | 2010-11-05 | 2011-11-03 | Simplified turbocharger with variable geometry with an increased current range |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20130219885A1 (en) |
KR (1) | KR20140001912A (en) |
CN (1) | CN103180569B (en) |
DE (1) | DE112011103079T5 (en) |
RU (1) | RU2013123351A (en) |
WO (1) | WO2012061545A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016184617A1 (en) * | 2015-05-21 | 2016-11-24 | Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg | Exhaust-gas turbocharger |
Families Citing this family (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20130047310A (en) * | 2011-10-31 | 2013-05-08 | 현대자동차주식회사 | Turbine housing of turbo charger for vehicle |
FR2998920B1 (en) * | 2012-12-04 | 2018-07-27 | Thy Engineering | ROTATING MACHINE SUCH AS A TURBINE OR A COMPRESSOR. |
CN104956033A (en) * | 2012-12-20 | 2015-09-30 | 博格华纳公司 | Turbine housing with dividing vanes in volute |
US9181855B2 (en) * | 2013-01-31 | 2015-11-10 | Electro-Motive Diesel, Inc. | Turbocharger with axial turbine stage |
GB2516688A (en) * | 2013-07-30 | 2015-02-04 | Cummins Turbo Tech Ltd | Turbine |
GB201322206D0 (en) * | 2013-12-16 | 2014-01-29 | Cummins Ltd | Turbine housing |
JP5870083B2 (en) * | 2013-12-27 | 2016-02-24 | 三菱重工業株式会社 | Turbine |
GB2529133B (en) | 2014-05-30 | 2020-08-05 | Cummins Inc | Engine systems and methods for operating an engine |
US9494111B2 (en) * | 2014-07-02 | 2016-11-15 | Kangyue Technology Co., Ltd | Quad layer passage variable geometry turbine for turbochargers in exhaust gas recirculation engines |
SE539835C2 (en) | 2016-04-08 | 2017-12-12 | Scania Cv Ab | A turbine arrangement comprising a volute with continuously decreasing flow area |
CN105937415B (en) * | 2016-06-08 | 2017-06-06 | 西安交通大学 | A kind of supercritical carbon dioxide turbine installation for being suitable for back pressure on a large scale and flow |
EP3473832B1 (en) * | 2016-12-28 | 2021-09-01 | Mitsubishi Heavy Industries Engine & Turbocharger, Ltd. | Turbine and turbocharger |
US11073076B2 (en) | 2018-03-30 | 2021-07-27 | Deere & Company | Exhaust manifold |
US10662904B2 (en) | 2018-03-30 | 2020-05-26 | Deere & Company | Exhaust manifold |
DE112019003298B4 (en) * | 2018-06-29 | 2022-12-01 | Ihi Corporation | turbine and turbocharger |
CN109184882B (en) * | 2018-08-03 | 2021-02-05 | 中国第一汽车股份有限公司 | Supercharged engine exhaust manifold |
US10465522B1 (en) * | 2018-10-23 | 2019-11-05 | Borgwarner Inc. | Method of reducing turbine wheel high cycle fatigue in sector-divided dual volute turbochargers |
WO2021055879A1 (en) | 2019-09-18 | 2021-03-25 | Massachusetts Institute Of Technology | Adaptive volutes for centrifugal pumps |
CN115013221B (en) * | 2022-06-28 | 2023-05-16 | 武汉大学 | Water diversion and water guide component of water turbine with ultra-high water head and ultra-large capacity and hydraulic design method thereof |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3557549A (en) * | 1969-03-21 | 1971-01-26 | Caterpillar Tractor Co | Turbocharger system for internal combustion engine |
BE755769A (en) * | 1969-09-04 | 1971-02-15 | Cummins Engine Co Inc | TURBINE BODY, ESPECIALLY FOR EXHAUST GAS TURBO-COMPRESSOR |
US4008572A (en) * | 1975-02-25 | 1977-02-22 | Cummins Engine Company, Inc. | Turbine housing |
US4339922A (en) * | 1979-07-09 | 1982-07-20 | Navarro Bernard J | Dual turbine turbo-supercharger |
JPS6278434A (en) * | 1985-09-30 | 1987-04-10 | Aisin Seiki Co Ltd | Variable capacity radial turbocharger |
JPS6296734A (en) * | 1985-10-22 | 1987-05-06 | Isuzu Motors Ltd | Turbosupercharger |
US4776168A (en) * | 1987-05-21 | 1988-10-11 | Woollenweber William E | Variable geometry turbocharger turbine |
JP3725287B2 (en) * | 1996-04-25 | 2005-12-07 | アイシン精機株式会社 | Variable capacity turbocharger |
US6941755B2 (en) * | 2003-10-28 | 2005-09-13 | Daimlerchrysler Corporation | Integrated bypass and variable geometry configuration for an exhaust gas turbocharger |
US7269950B2 (en) * | 2004-05-05 | 2007-09-18 | Precision Industries, Inc. | Staged turbocharger |
US20090000296A1 (en) * | 2007-06-29 | 2009-01-01 | David Andrew Pierpont | Turbocharger having divided housing with integral valve |
JP4875644B2 (en) * | 2008-02-29 | 2012-02-15 | 三菱重工業株式会社 | Turbine and turbocharger including the same |
-
2011
- 2011-11-03 WO PCT/US2011/059043 patent/WO2012061545A2/en active Application Filing
- 2011-11-03 RU RU2013123351/06A patent/RU2013123351A/en not_active Application Discontinuation
- 2011-11-03 KR KR1020137013094A patent/KR20140001912A/en not_active Application Discontinuation
- 2011-11-03 CN CN201180051663.0A patent/CN103180569B/en not_active Expired - Fee Related
- 2011-11-03 US US13/881,920 patent/US20130219885A1/en not_active Abandoned
- 2011-11-03 DE DE112011103079T patent/DE112011103079T5/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016184617A1 (en) * | 2015-05-21 | 2016-11-24 | Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg | Exhaust-gas turbocharger |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20140001912A (en) | 2014-01-07 |
WO2012061545A3 (en) | 2012-07-19 |
RU2013123351A (en) | 2014-12-10 |
CN103180569B (en) | 2015-09-23 |
WO2012061545A9 (en) | 2012-08-16 |
CN103180569A (en) | 2013-06-26 |
WO2012061545A2 (en) | 2012-05-10 |
US20130219885A1 (en) | 2013-08-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE112011103079T5 (en) | Simplified turbocharger with variable geometry with an increased current range | |
EP1766209B1 (en) | Internal combustion engine comprising an exhaust gas turbocharger | |
DE112009002230B4 (en) | WASTEGATE FOR A TURBOCHARGED COMBUSTION ENGINE SYSTEM AND WASTEGATE EMISSION CONTROL SYSTEM | |
EP1488084B1 (en) | Variable exhaust gas turbocharger | |
DE112009004260T5 (en) | Simplified turbocharger with variable geometry and vane rings | |
EP3682118B1 (en) | Radial compressor having an iris mechanism for a supercharging device of an internal combustion engine, supercharging device and blade for the iris mechanism | |
DE112010003291T5 (en) | Simplified turbocharger with variable geometry and variable diffuser flow volumes | |
DE112009004309T5 (en) | Simplified turbocharger with variable geometry and changeable can | |
DE102005019937B3 (en) | Turbine for exhaust gas turbocharger, has auxiliary blades, which are dimensioned such that throughput parameter of turbine wheel blades is set to throughput parameter of auxiliary blades in certain ratio, which is greater than fifteen | |
DE112013005624T5 (en) | Twin-screw half-axial turbocharger with single valve | |
EP3455477B1 (en) | Turbine for a turbocharger with two scrolls housing and valve arrangement for scroll connexion and wastegate control | |
EP0243596B1 (en) | Axial drag regulator for an exhaust turbo charger for internal-combustion engines | |
EP3542069B1 (en) | Compressor, turbocharger and internal combustion engine | |
WO2010121684A1 (en) | Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine | |
DE102014223044A1 (en) | Exhaust gas turbocharger and internal combustion engine | |
DE102017216329A1 (en) | Radial compressor with an iris diaphragm mechanism for a charging device of an internal combustion engine, charging device and blade for the iris diaphragm mechanism | |
DE102008063656A1 (en) | turbocharger | |
DE102018221812A1 (en) | Exhaust gas turbine with an exhaust gas guide device for an exhaust gas turbocharger and exhaust gas turbocharger | |
DE102008052088A1 (en) | Turbine housing for exhaust turbo charger of internal combustion engine of motor vehicle, has spiral ports coupled with exhaust gas flows of exhaust gas of internal combustion engine | |
DE102011120167A1 (en) | Compressor for supercharger of e.g. diesel engine of e.g. passenger car, has compressor wheel whose edge is released and attached from wall region in open and closed positions of adjusting element accordingly | |
DE102014200573A1 (en) | Supercharged internal combustion engine with at least one exhaust gas turbocharger and method for operating such an internal combustion engine | |
EP2576989B1 (en) | Turbine for an exhaust gas turbocharger | |
EP1673525B1 (en) | Compressor in the induction tract of an internal combustion engine | |
EP3591185A1 (en) | Method for operating a combustion engine with a trim adjuster assigned to the compressor | |
DE202014100168U1 (en) | Charged internal combustion engine with at least one exhaust gas turbocharger |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HOEFER & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Representative=s name: HOEFER & PARTNER, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE P, DE Representative=s name: PETERREINS SCHLEY PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE |
|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F02B0037220000 Ipc: F01D0017100000 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |